DE3318730C2 - - Google Patents
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- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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- C08G18/06—Polymeric products of isocyanates or isothiocyanates with compounds having active hydrogen
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Description
Polyurethane sind bereits seit langem bekannt und werden
nach den verschiedensten Methoden hergestellt. So kann man
z. B. ein Makrodiol mit Diisocyanat zu einem Voraddukt umsetzen
und dieses Voraddukt mit einem oder mehreren niedermolekularen
Diolen kettenverlängern. Es ist auch möglich,
Diisocyanat, Makrodiol und Kettenverlängerer gleichzeitig nach
dem sogenannten Eintopfverfahren umzusetzen.
Polyurethane zeichnen sich gegenüber anderen Kunststoffen
dadurch aus, daß sie verhältnismäßig biokompatibel sind, d. h.
daß sie vom menschlichen oder tierischen Körper weitgehend
akzeptiert werden, also verträglich mit dem Körper sind,
insbesondere sind sie blut- und gewebeverträglich.
Die bis jetzt bekanntgewordenen biokompatiblen Polyurethane
weisen jedoch noch eine Reihe von Nachteilen auf. So werden
durch hydrolytische Einflüsse innerhalb mehr oder weniger
kurzer Zeiträume die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit,
Dehnung und Elastizität, nachteilig beeinflußt; viele
Polyurethane werden im Laufe der Zeit sogar völlig abgebaut.
Diese vorstehend aufgezeigten Mängel machen sich auch nachteilig
bei biokompatiblen Formkörpern bemerkbar, wenn sie
aus solchen Polyurethanen bestehen.
Es ist weiter bekannt, Gefäßprothesen in Form von Schläuchen
oder dünnen Röhrchen durch Erspinnen von Fasern aus Polymerlösungen
und Transportieren und Ablegen der Fasern auf einer
stabförmigen Unterlage zu einem Vlies herzustellen. So wird
beispielsweise in der europäischen Patentschrift 5035 ein Verfahren
beschrieben, bei dem die Polymerlösung durch ein sogenanntes
elektrostatisches Spinnverfahren versponnen wird. Als
Spinnlösung zur Herstellung dieser künstlichen Gefäßprothesen
werden eine ganze Reihe von Polymeren empfohlen, wie Polyamide,
Polyacrylnitril und Polyurethane. Auch Polymere, wie Polytetrafluoräthylen,
die als Dispersion verarbeitet werden können,
sollen nach der Lehre dieser europäischen Patentschrift verarbeitbar
sein.
In der DE-OS 28 06 037 wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung
derartiger Gefäßprothesen beschrieben, nach dem die
Prothesen aus der Polymerlösung durch Fasersprühen gebildet
werden. In dieser Offenlegungsschrift werden in den Beispielen
verschiedene käuflich zugängliche Polyurethane angegeben.
Auch bei diesen Verfahren machen sich vorstehend beschriebene
Nachteile der Polyurethane bemerkbar.
Wenn auch die Technik zur Herstellung von Gefäßprothesen
nach den verschiedensten Verfahren, z. B. durch Herstellung
von Fasern und Ablegen derselben auf einem Stab zu einem
Vlies oder durch Extrusion einer Lösung, bereits weit entwickelt
ist, hängt das Verhalten des künstlichen Gefäßes im
menschlichen oder tierischen Körper nicht nur von den Techniken
ab, die bei dem Verarbeiten des Polymers eingesetzt
wurden, sondern eine ganz entscheidende Rolle spielt auch
das Polymer selbst, sein chemischer Aufbau und ganz besonders
die Herstellungsweise des Polymers.
In der US-PS 38 97 401 werden flüssige Polyurethanreaktionsgemische
beschrieben, aus denen nach dem Rotationsgußverfahren
technisch einsetzbare Artikel, wie Flaschen,
hergestellt werden können. Dabei wird zunächst ein Polypropylenglykol
mit 4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat zu
einem Voraddukt umgesetzt, dem Butandiol, oder ein Gemisch
aus Trimethylolpropan und Butandiol, oder ein Polypropylenglykol
als Kettenverlängerungsmittel zugemischt wird, wobei ein
Dialkylzinn-S,S′-bis-(alkylmercaptoalkylat) als Katalysator
nachträglich oder im Gemisch mit dem Kettenverlängerungsmittel zugesetzt
wird. Das Reaktionsgemisch wird in einer Form
erhöhten Temperaturen ausgesetzt, wobei Vernetzung eintritt.
Polyurethane, die sich aus Lösungen oder nach dem Spritzgußverfahren
weiterverarbeiten lassen und sich durch eine
hohe Biokompatibilität auszeichnen, entstehen dabei nicht.
Es besteht deshalb noch das Bedürfnis nach Polyurethanen,
welche auf einfache und vorteilhafte Art und Weise zu
biokompatiblen Formkörpern verarbeitet werden können, die
wirtschaftlich zugänglich sind und die sich insbesondere durch
eine hohe Beständigkeit im menschlichen oder tierischen Körper
auszeichnen. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, derartige
Polyurethane zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird
gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Besonders vorteilhafte
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in den Ansprüchen 2 bis 6 wiedergegeben.
Gegenstand der Erfindung sind ferner Polyurethane, die nach
einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt
sind.
Besonders vorteilhafte Verwendungszwecke der erfindungsgemäßen
Polyurethane werden in den Ansprüchen 8 bis 13 angegeben.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst
ein aliphatisches und/oder cycloaliphatisches Makrodiol
mit einem cycloaliphatischen Diisocyanat in Abwesenheit
eines Lösungsmittels zu einem Voraddukt umgesetzt. Das cycloaliphatische
Diisocyanat wird im Überschuß von 3 bis 22 Mol, bezogen auf 1 Mol
Makrodiol, eingesetzt, so daß nach der Umsetzung neben
Additionsprodukten auch noch freies Diisocyanat vorhanden ist.
Als aliphatisches und/oder cycloaliphatisches Makrodiol zum
Aufbau des Voraddukts eignen sich Polyätherglykole, Polycarbonate,
z. B. Polyhexamethylencarbonat,
und andere zwei OH-Endgruppen
aufweisende Polymere. In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden jedoch
Polytetramethylenglykole mit einem mittleren Molekulargewicht
(Gewichtsmittel) von M 600 bis 2000 eingesetzt.
Als cycloaliphatisches Diisocyanat wird bevorzugt verwendet
4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat, insbesondere Isomerengemische
derselben, wie sie im Handel erhältlich sind, Cyclohexandiisocyanat-
(1,4) in trans- und cis-Form sowie als Gemische
von trans- und cis-Isomeren. Auch Gemische aus 4,4-Dicyclohexylmethandiisocyanat
und Cyclohexandiisocyanat-(1,4) sind
geeignet.
Bei der Herstellung des Voraddukts ist die Verwendung eines
Katalysators im allgemeinen nicht notwendig.
Das Voraddukt wird sodann mit einem Gemisch aus Kettenverlängerungsmitteln,
das ein niedermolekulares aliphatisches und/oder
cycloaliphatisches Diol mit 2 bis 8 Kohlenstoffatomen und ein
aliphatisches und/oder cycloaliphatisches Makrodiol enthält,
kettenverlängert. Als Kettenverlängerungsmittel eignet sich besonders
ein Gemisch aus Butandiol-(1,4) und Polytetramethylenglykol
mit einem mittleren Molekulargewicht von M = 600 bis 2000.
Unter aliphatischen und/oder cycloaliphatischen Diolen
bzw. Makrodiolen im Sinne der Erfindung werden Diole verstanden,
die nur aliphatische oder nur cycloaliphatische
oder nur sowohl aliphatische wie auch cycloaliphatische
Gruppen enthalten. Als Makrodiole und niedermolekulare
Diole werden aliphatische oder cycloaliphatische Verbindungen
eingesetzt, da diese bekanntlich eine geringe
chemische Reaktivität und ausgezeichnete Lichtbeständigkeit,
z. B. im Vergleich zu Aromaten, aufweisen, und bei
Verwendung für medizinische Einsatzzwecke auf niedrige
chemische Reaktivität Wert gelegt werden muß.
Neben dem bevorzugten Butandiol können u. a. auch folgende
Diole im Kettenverlängerungsmittelgemisch verwendet werden:
Neopentylglykol, Äthylenglykol, Propandiol-(1,3) und
Hexandiol-(1,6).
Vorzugsweise wird die Kettenverlängerung in Gegenwart eines
Katalysators vorgenommen. Geeignete Katalysatoren sind insbesondere
Organozinnverbindungen wie Dibutylzinndilaurat und
Dibutylzinndioctoat.
Die Kettenverlängerung kann ebenfalls ohne Anwesenheit eines
Lösungsmittels durchgeführt werden. Es ist auch möglich, in
Gegenwart von einem oder mehreren Lösungsmitteln zu arbeiten.
Sehr geeignet sind die Lösungsmittel Dimethylacetamid,
Dimethylformamid, Chloroform, Methylenchlorid, Aceton, Trichloroäthylen,
Tetrahydrofuran, Dioxan, n-Propanol und Cyclohexanol.
Beim Arbeiten ohne Lösungsmittel ist es günstig, um eine vorteilhafte
Vermischung des Voraddukts und des Kettenverlängerungsmittelgemisches
zu erreichen, wenn man die beiden Komponenten in
einem Gewichtsverhältnis von 70 : 30 bis 30 : 70, vorzugsweise
von 60 : 40 bis 40 : 60, insbesondere 55 : 45 bis 45 : 55
vermischt. In jedem Fall aber muß das molare Verhältnis der NCO-Gruppen des
Voraddukts zu den OH-Gruppen des Kettenverlängerungsmittelgemisches von 1,15 : 1 bis
1,01 : 1 betragen.
Nach dem Vermischen wird entgast und man läßt ausreagieren.
Das Ausreagieren kann bei höheren Temperaturen, z. B. bei 80°C
stattfinden. Dieser auch als Aushärtung bezeichnete Vorgang
kann bis zu drei Tage oder mehr in Anspruch nehmen.
Das erhaltene Polyurethan kann sodann zu Granulat verarbeitet
werden und beliebig lang gelagert werden.
Wird die Kettenverlängerung in Lösungsmitteln durchgeführt,
kann das Polyurethan durch Ausfällen in Wasser abgetrennt und
getrocknet werden.
Man kann auch das in Lösung entstandene Polyurethan in Lösung
belassen und durch Zugabe von weiterem Lösungsmittel eine
alsbald verarbeitbare Lösung von geeigneter Viskosität herstellen.
Die erfindungsgemäß hergestellten Polyurethane lassen sich
nach an sich bekannten Verfahren zu biokompatiblen Formkörpern,
wie Gefäßprothesen, Kathetern, Blutpumpen, Herzklappen und
anderen blutführenden Hohlorganen, wie Schläuchen, Otoplastiken und
Schutzhäuten von Sonden, verarbeiten. So können die
Polyurethane durch Extrudieren ihrer Schmelzen geformt werden.
In einer besonderen Gießtechnik kann das Voraddukt nach Vermischen
mit der entsprechenden Menge Kettenverlängerungsmittel und
Entgasung in vorbereitete Formen eingegossen werden. Nach Aushärtung
werden formgetreue Abdrücke erhalten, die sich aus
Teflon- oder Silikonformen sehr leicht entnehmen lassen. Ein
bevorzugtes Einsatzgebiet nach dieser Arbeitsweise sind Blutpumpen
und Otoplastiken.
Für die Herstellung von Lacken oder biokompatiblen Überzügen
wird das Polyurethan in einem der vorstehend genannten Lösungsmitteln
zu 5 Gew.-%igen Lösungen bei Raumtemperatur gelöst und
für Überzüge von Sonden verwendet.
Zur Verarbeitung zu Gefäßprothesen wird das Polyurethan vorzugsweise
gelöst eingesetzt und auf an sich bekannte Weise zu
einer Gefäßprothese verarbeitet, wobei vorzugsweise die Lösung
zu Fasern verarbeitet wird, welche sodann auf einem Stab in
Form eines Vlieses abgelegt werden. Derartige Verfahren werden
z. B. in der EP-PS 5 035 und in der US-PS 40 44 404 beschrieben.
Bei den in diesen Schriften angegebenen Methoden handelt es
sich um Verfahren, bei denen die Fasern unter Ausnutzung eines
elektrostatischen Feldes hergestellt werden.
Ein weiteres geeignetes, bevorzugtes Verfahren zur Herstellung
derartiger Gefäßprothesen wird in der DE-OS 28 06 030 beschrieben.
Es war besonders überraschend, daß die Polyurethane gemäß der
Erfindung auf diese Weise zu Gefäßprothesen verarbeitet
werden können, die implantiert auch nach Verweilzeiten von
12 und mehr Monaten praktisch keinen Verlust ihrer mechanischen
und physikalischen Eigenschaften zeigen. Es war ferner
überraschend, daß sich bei der Verarbeitung dieser Fasern nach
dem sogenannten Fasersprühverfahren, wie es in der DE-OS
28 06 030 offenbart wird, die sogenannte "Pfropfenbildung"
erheblich reduzieren läßt. Unter der Pfropfenbildung bzw.
nicht-faseriger Klümpchenbildung versteht man Dickstellen
beim auf dem Stab erhaltenen Vlies, die vermutlich darauf
zurückzuführen sind, daß aufgrund von Viskositätsunterschieden
in der Spinnlösung eine unterschiedliche Verdampfung an der
sich bildenden Faser stattfindet, so daß sich diese Pfropfen
oder Klümpchen bilden können.
In einem Dreihalskolben, ausgerüstet mit Rührer, Stickstoffüberleitung
und Kühler mit Ableitungsrohr werden 11 Val
4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat und 1,5 Val wasserfreies
Polytetramethylenglykol(M 1000) eingefüllt und 3 Std. lang
bei 120°C unter ständigem Rühren erhitzt. Die Additionsreaktion
zur Herstellung des Voraddukts wird solange fortgesetzt,
bis der theoretisch berechnete Isocyanat-Gehalt von
18,2 Gew.-% erreicht wird. Währenddessen werden zur Herstellung
des Kettenverlängerers 4,5 Val wasserfreies Butandiol-
(1,4) und 4,5 Val wasserfreies Polytetramethylenglykol
(M 1000) unter Rühren in einem anderen geschlossenen Gefäß
mit dem Zinnkatalysator (5 mg Dibutylzinndilaurat/100 g
Gesamtmenge Kettenverlängerer) vermischt. Wenn notwendig,
kann diese Vermischung unter leichter Erwärmung (ca. 50°C)
stattfinden. Für die Herstellung des Polyurethans werden
46,75 g Voraddukt mit 53,25 g Kettenverlängerer bei einer
Mischtemperatur von 50°C verrührt, entgast und in eine
Aushärteform gegossen. Nach Aushärtung von 3 Tagen bei
80°C wird eine relative Viskosität (1 Gew.-%ig in Dimethylformamid)
von 3,056 gemessen. Die Shore A-Härte des Polyurethans
beträgt 80, der Erweichungsbereich liegt bei
∼125°C, der Schmelzbereich etwa bei 185°C. Das Polyurethan
ist transparent und farblos.
Das Polyurethan läßt sich in Form einer 5 Gew.-%igen Lösung
eines Lösungsmittelgemisches, bestehend aus gleichen Teilen
Aceton, Methylenchlorid und Chloroform durch Fasersprühen
gemäß der Lehre der DE-OS 28 06 030 verarbeiten.
Nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 wurden Polyurethane aus den in der
Tabelle I aufgeführten Ausgangsstoffen hergestellt:
Die Polyurethane gemäß der Erfindung zeichnen sich ferner
durch weitgehende Linearität und sehr günstige Molekulargewichtsverteilung
aus. Sie sind deshalb für viele
medizinische Anwendungsgebiete, wo es u. a. auf Biokompatibilität,
physiologische Unbedenklichkeit und Langzeitbeständigkeit
ankommt, besonders geeignet.
Claims (13)
1. Verfahren zur Herstellung von, gegebenenfalls in einem
organischen Lösungsmittel gelösten, biokompatiblen Polyurethanen
durch Umsetzung von einem cycloaliphatischen
Diisocyanat und einem aliphatischen und/oder cycloaliphatischen
Makrodiol in Abwesenheit eines Lösungsmittels
zu einem Voraddukt, wobei man 3 bis 22 Mol
Diisocyanat pro Mol Makrodiol einsetzt und Kettenverlängerung
des Voraddukts mit einem Gemisch aus
hydroxylgruppenhaltigen Kettenverlängerungsmitteln in
einem molaren Verhältnis NCO-Gruppen zu OH-Gruppen des
Kettenverlängerungsmittelgemisches von 1,15 : 1 bis 1,01 : 1,
dadurch gekennzeichnet, daß man als hydroxylgruppenhaltige
Kettenverlängerungsmittel ein Gemisch aus
niedermolekularem aliphatischem und/oder cycloaliphatischem
Diol
und einem aliphatischen und/oder
cycloaliphatischen Makrodiol verwendet und gegebenenfalls
in Lösung kettenverlängert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man 6,5 bis 8 Mol Diisocyanat pro Mol Makrodiol verwendet.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch
gekennzeichnet, daß man das Voraddukt in einem molaren
Verhältnis NCO-Gruppen zu OH-Gruppen des Kettenverlängerungsmittelgemisches
von 1,07 : 1 bis 1,04 : 1 einsetzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß man zum Aufbau des Voraddukts Polytetramethylenglykol
mit einem mittleren Molekulargewicht
M von 600 bis 2000 verwendet und zur Kettenverlängerung
ein Gemisch aus Butandiol-(1,4) und Polytetramethylenglykol
verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß man als Makrodiol Polycarbonat verwendet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß man als cycloaliphatische Diisocyanate
4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat und/oder
Cyclohexandiisocyanat-(1,4) verwendet.
7. Polyurethane, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß
einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 7 zur Herstellung
von biokompatiblen Formkörpern.
9. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 8 zur Herstellung
von Kathetern, sogenannten Venen- und Schnellkathetern
sowie Peritonealkathetern.
10. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 8 zur Herstellung
von Schläuchen.
11. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 8 zur Herstellung
von Blutpumpen.
12. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 8 zur Herstellung
von Blutbeuteln.
13. Verwendung der Polyurethane nach Anspruch 8 zur Herstellung
von Herzklappen.
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